蓝牙 BLE 协议学习： 000-有关概念介绍

背景

在学校内就用过蓝牙技术参加过比赛（并拿了奖）；而蓝牙作为物联网中比较常见的协议，有必要进行深入的学习。此后的文章会以 ble(v4.0) 进行学习。

介绍

蓝牙技术最初由电信巨头爱立信公司于 1994 年创制，当时是作为 RS232 数据线的替代方案。蓝牙可连接多个设备，克服了数据同步的难题。随着蓝牙耳机、蓝牙鼠标、蓝牙音箱等蓝牙设备渐渐充斥着我们的生活，蓝牙早已不单纯是数据线的替代方案。

如今蓝牙由蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group，简称 SIG）管理。蓝牙技术联盟在全球拥有超过 25,000 家成员公司，它们分布在电信、计算机、网络、和消费电子等多重领域。

简单地说，蓝牙是一种短程宽带无线电技术，是实现语音和数据无线传输的全球开放性标准。它使用跳频扩谱（FHSS）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）等先进技术，在小范围内建立多种通信与信息系统之间的信息传输。

蓝牙使用跳频技术，将传输的数据分割成数据包，通过79个指定的蓝牙频道分别传输数据包。每个频道的频宽为1 MHz。蓝牙4.0使用2 MHz 间距，可容纳40个频道。第一个频道始于2402 MHz，每1 MHz一个频道，至2480 MHz。有了适配跳频(Adaptive Frequency-Hopping，简称AFH)功能，通常每秒跳1600次。

最初，高斯频移键控(Gaussian frequency-shift keying，简称GFSK)调制是唯一可用的调制方案。然而蓝牙2.0+EDR 使得 π/4-DQPSK和 8DPSK 调制在兼容设备中的使用变为可能。运行GFSK的设备可以以基础速率(Basic Rate，简称BR)运行，瞬时速率可达1Mbit/s。增强数据率(Enhanced Data Rate，简称EDR)一词用于描述π/4-DPSK 和 8DPSK 方案, 分别可达2 和 3Mbit/s。在蓝牙无线电技术中，两种模式(BR和EDR)的结合统称为"BR/EDR射频"。

蓝牙是基于数据包、有着"主从架构"的协议。一个主设备至多可和同一网域中的七个从设备通讯。所有设备共享主设备的时钟。分组交换基于主设备定义的、以312.5µs为间隔运行的基础时钟。两个时钟周期构成一个625µs的槽，两个时间隙就构成了一个1250µs的缝隙对。在单槽封包的简单情况下，主设备在双数槽发送信息、单数槽接受信息。而从设备则正好相反。封包容量可长达1、3、或5个时间隙，但无论是哪种情况，主设备都会从双数槽开始传输，从设备从单数槽开始传输。

Bluetooth的主要技术特点：

（1）、工作频段 ：2.4GHz的工科医（ISM）频段，无需申请许可证。大多数国家使用79个频点，载频为(2402+k)MHz（k=0，1, 2…78），载频间隔1MHz。采用TDD时分双工方式。

（2）、传输速率：1Mb/s（V2.0以上版本）

（3）、调试方式：BT=0.5的GFSK调制，调制指数为0.28-0.35。

（4）、采用跳频技术：跳频速率为1600跳/秒，在建链时（包括寻呼和查询）提高为3200跳/秒。蓝牙通过快跳频和短分组技术减少同频干扰，保证传输的可靠性。

（5）、语音调制方式：连续可变斜率增量调制（CVSD，ContinuousVariable Slope Delta Modulation），抗衰落性强，即使误码率达到4%，话音质量也可接受。

（6）、支持电路交换和分组交换业务：蓝牙支持实时的同步定向联接（SCO链路）和非实时的异步不定向联接（ACL链路），前者主要传送语音等实时性强的信息，后者以数据包为主。语音和数据可以单独或同时传输。蓝牙支持一个异步数据通道，或三个并发的同步话音通道，或同时传送异步数据和同步话音的通道。每个话音通道支持64kbps的同步话音；异步通道支持723.2/57.6kbps的非对称双工通信或433.9kbps的对称全双工通信。

（7）、支持点对点及点对多点通信：蓝牙设备按特定方式可组成两种网络：微微网(Piconet)和分布式网络(Scatternet)，其中微微网的建立由两台设备的连接开始，最多可由八台设备组成。在一个微微网中，只有一台为主设备（Master），其它均为从设备（Slave），不同的主从设备对可以采用不同的链接方式，在一次通信中，链接方式也可以任意改变。几个相互独立的微微网以特定方式链接在一起便构成了分布式网络。所有的蓝牙设备都是对等的，所以在蓝牙中没有基站的概念。

（8）、工作距离：蓝牙设备分为三个功率等级，分别是：100mW（20dBm）、2.5mW（4dBm）和1mW（0dBm），相应的有效工作范围为：100米、10米和1米。

蓝牙版本信息

蓝牙的主要版本：1.1、1.2、2.0、2.1、3.0、4.0、5.0。

1.1版本

传输率约在748~810kb/s，因是早期设计，容易受到同频率之产品所干扰下影响通讯质量。

1.2版本

同样是只有748~810kb/s 的传输率，但在加上了(改善 Software)抗干扰跳频功能。

2.0+EDR版本

是1.2的改良提升版，传输率约在1.8M/s~2.1M/s，开始支持双工模式——即一面作语音通讯，同时亦可以传输档案/高质素图片，2.0 版本当然也支持 Stereo 运作。

应用最为广泛的是Bluetooth2.0+EDR标准，该标准在2004年已经推出，支持Bluetooth 2.0+EDR标准的产品也于2006年大量出现。虽然Bluetooth 2.0+EDR标准在技术上作了大量的改进，但从1.X标准延续下来的配置流程复杂和设备功耗较大的问题依然存在。

2.1版本

更佳的省电效果：蓝牙2.1版加入了SniffSubrating的功能，透过设定在2个装置之间互相确认讯号的发送间隔来达到节省功耗的目的。

3.0+HS版本

2009年4月21日，蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)正式颁布了新一代标准规范"Bluetooth Core Specification Version 3.0 High Speed"(蓝牙核心规范3.0版 )，蓝牙3.0的核心是"GenericAlternate MAC/PHY"(AMP)，这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。最初被期望用于新规范的技术包括802.11以及UMB，但是新规范中取消了UMB的应用。

4.0 版本(也称为Bluetooth Smart)

蓝牙4.0的改进之处主要体现在三个方面：电池续航时间、节能和设备种类上。

4.0版本的一般性改进包括推进蓝牙低功耗模式所必需的改进、以及通用属性配置文件(GATT)和AES加密的安全管理器(SM)服务

蓝牙4.0包括2个版本，再细分的话是3个子规范，即经典蓝牙（BT、其中包括传统蓝牙技术v1.x v2.0、高速蓝牙v3.0）和新的蓝牙低功耗技术（BLE, Bluetooth Low Energy Module）。

1) 经典蓝牙: 经典蓝牙包括旧有蓝牙协议
2) 高速蓝牙: 高速蓝牙基于Wi-Fi
3) 蓝牙低功耗协议: 蓝牙低功耗，也就是早前的Wibree，是蓝牙4.0版本的一个子集，它有着全新的协议栈，可快速建立简单的链接。

低功耗蓝牙是建立在传统蓝牙基础之上继而发展的。蓝牙低功耗技术采用可变连接时间间隔，这个间隔根据具体应用可以设置为几毫秒到几秒不等。另外，因为BLE技术采用非常快速的连接方式，因此可以处于“非连接”状态（节省能源），此时链路两端相互间仅能知晓对方，必要时可以才开启链路，然后在尽可能短的时间内关闭链路。

作为蓝牙1.0 ~ 3.0版本中蓝牙标准协议的替代方案，BLE主要面向对功耗需求极低、用纽扣电池供电的应用。芯片设计可有两种：双模、单模和增强的早期版本。

单模情况下，只能执行低功耗的协议栈。意法半导体、笙科电子、CSR、北欧半导体和德州仪器已经发布了单模蓝牙低功耗解决方案。单模芯片的成本降低，使设备的高度整合和兼容成为可能。它的特点之一是轻量级的链路层，可提供低功耗闲置模式操作、简易的设备发现、和可靠地点对多数据传输，并拥有成本极低的高级节能和安全加密连接
双模情况下，Bluetooth Smart功能整合入既有的经典蓝牙控制器。截至2011年3月，高通创锐讯、CSR、博通和德州仪器已宣布发表符合此标准的芯片。适用的架构共享所有经典蓝牙既有的射频和功能，相比经典蓝牙的价格上浮也几乎可以忽略不计

拥有低成本，跨厂商互操作性，3毫秒低延迟、100米以上超长距离、AES-128加密等诸多特色此外，蓝牙4.0的有效传输距离也有所提升。3.0版本的蓝牙的有效传输距离为10米(约 32英尺)，而蓝牙4.0的有效传输距离最高可达到100米(约328英尺)。

5.0版本

蓝牙5.0针对低功耗设备，有着更广的覆盖范围和相较四倍的速度提升。蓝牙5.0会加入室内定位辅助功能，结合Wi-Fi可以实现精度小于1米的室内定位。

低功耗模式传输速度上限为2Mbps,是之前4.2LE版本的两倍。有效工作距离可达300米，是之前4.2LE版本的4倍。添加导航功能，可以实现1米的室内定位。

为应对移动客户端需求，其功耗更低，且兼容老的版本。

蓝牙系统构成

1、Radio ：无线射频单元：
负责数据和语音的发送和接收，特点是短距离、低功耗。蓝牙天线一般体积小、重量轻，属于微带天线。

2、LinkController ：基带或链路控制单元：
进行射频信号与数字或语音信号的相互转化，实现基带协议和其它的底层连接规程。

3、LinkManager：链路管理单元：
负责管理蓝牙设备之间的通信，实现链路的建立、验证、链路配置等操作。

4、蓝牙软件协议实现：
Host部分，不同的主机可以移植不同的协议栈。一般蓝牙芯片通过UART、USB、SDIO、I2S、PcCard和主控芯片通信。

蓝牙协议规范

按照蓝牙协议的逻辑功能，协议堆栈分为3个部分:应用协议、中介协议、传输协议。

某个协议的实现代码称为协议栈（protocol stack）

传输协议

负责蓝牙设备间，互相确认对方的位置，以及建立和管理蓝牙设备间的物理链路；

底层传输协议：蓝牙射频（Radio）部分、基带链路管理控制器（Baseband&Link Controller）、链路管理协议（Link ManagerProtocol LMP）。负责语言、数据无线传输的物理实现以及蓝牙设备间的联网组网。
高层传输协议：逻辑链路控制与适配器（LogicalLink Control and Adaptation Protocol）L2CAP 、主机控制接口（HostControl Interface，HCI）。为高层应用屏蔽了跳频序列选择等底层传输操作，为高层程序提供有效、有利于实现数据分组格式。

中介协议

为高层应用协议或者程序，在蓝牙逻辑链路上工作提供必要的支持，为应用提供不同标准接口。

串口仿真协议：RFCOMM、服务发现协议：SDP、互操作协议IrDA、网络访问协议：PPP、IP、TCP、UDP、电话控制协议：TCS、AT指令集。

应用协议

蓝牙协议栈之上的应用软件和所涉及到的协议，如：拨号上网、语言功能的应用程序。

蓝牙的应用框架如下：

通用应用类框架：查询、建立连接服务等；
蓝牙电话应用类框架：电话控制、语言；
蓝牙连网应用类框架：网络应用相关；
对象交互服务类框架：IrDA、OBEX；
蓝牙音视频控制类框架。

完整的蓝牙协议栈如下图所示，不是任何应用都必须使用全部协议，而是可以只使用其中的一列或多列。

蓝牙主从模块

主机就是能够搜索别人并主动建立连接的一方
从机则不能主动建立连接，只能等别人连接自己
主从一体就是能够在主机和从机模式间切换，即可做主机也可作从机

蓝牙技术的优缺点

优点：

低功率，便于电池供电设备工作
便宜，可以应用到低成本设备上
同时管理数据和声音传输
低延时

缺点：

传输距离有限
数据传送速率为24 Mb/s
不同设备间协议不兼容
需要本地数据记录,以确保数据不间断可用
存在被攻击的可能性：（拒绝服务攻击、窃听、中间人攻击、消息修改、资源滥用）

蓝牙协议分类

HFP(Hands-free Profile)

HFP(Hands-free Profile)，让蓝牙设备可以控制电话，如接听、挂断、拒接、语音拨号等，拒接、语音拨号要视蓝牙耳机及电话是否支持。

HSP

HSP 描述了 Bluetooth 耳机如何与计算机或其它 Bluetooth 设备(如手机)通信。连接和配置好后，耳机可以作为远程设备的音频输入和输出接口，这是最常用的配置，为当前流行支持蓝牙耳机与移动电话使用。它依赖于在64千比特编码的音频/s的CVSD的或PCM以及AT命令从GSM 07.07的一个子集，包括环的能力最小的控制，接听来电，挂断以及音量调整。典型的使用情景是使用无线耳机与手机进行连接。可能会使用HSP的若干设备类型：耳机、手机、PDA、个人电脑、手提电脑

A2DP

A2DP全名是Advanced Audio Distribution Profile(蓝牙音频传输模型协定)，A2DP是能够采用耳机内的芯片来堆栈数据，达到声音的高清晰度。有A2DP的耳机就是蓝牙立体声耳机。声音能达到44.1kHz，一般的耳机只能达到8kHz。如果手机支持蓝牙，只要装载A2DP协议，就能使用A2DP耳机了。还有一般所说的技术参数提到蓝牙V1.0 V1.1 V1.2 V2.0——这些是指蓝牙的技术版本，是指通过蓝牙传输的速度，他们是否支持A2DP具体要看蓝牙产品制造商是否使用这个技术

AVRCP

AVRCP(Audio/Video Remote Control Profile)，也就是音频/视频远程控制规范

AVRCP设计用于提供控制TV、Hi-Fi设备等的标准接口。此配置文件用于许可单个远程控制设备(或其它设备)控制所有用户可以接入的A/V设备。它可以与 A2DP 或 VDP 配合使用

AVRCP定义了如何控制流媒体的特征。包括
1) 暂停
2) 停止
3) 启动重放
4) 音量控制
5) 其它类型的远程控制操作

AVRCP 定义了两个角色
1) 控制器: 控制器通常为远程控制设备，控制器将检测到的用户操作翻译为 A/V 控制信号，然后再将其传输至远程 Bluetooth 设备。对于"随身听"类型的媒体播放器，控制设备可以是允许跳过音轨的耳机
2) 目标设备: 目标设备为特征可以更改的设备。在 AVRCP 中，目标设备则是实际的播放器。常规红外遥控器的可用功能可以在此协议中实现

AVRCP 协议规定了AV/C 数字接口命令集的应用范围，实现了简化实施和易操作性。此协议为控制消息采用了AV/C 设备模式和命令格式，这些消息可以通过音频/视频控制传输协议 (AVCTP) 传输

OPP

蓝牙通信程序部分需采用用于设备之间传输数据对象OPP Profile: Object Push Profile由于OPP profile又细分为OPPC (client)端和OPPS(server)端profile，这两个profile区别在于只有client端可以发起数据传输的过程，但是附件设备与手机通信的情景中，既有手机发起数据传输请求也有设备侧发起传输请求的需要，所以要在设备中实现OPPC和OPPS两个profile

PBAP

电话号码簿访问协议(Phonebook Access Profile)